基于BIM的智能建造在香港感染控制中心項目中的探索與實踐

張 毅 葛 斌 鄭果

(1.中國建筑工程(香港)有限公司，中國香港 999077； 2.中建國際醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，中國香港 999077)

引言

近年來，隨著人民對美好生活需要的日益增長，國家對于建筑業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展也提出了更多要求。加快智能建造在工程建設(shè)全過程中的應(yīng)用，提升工程質(zhì)量安全、效益和品質(zhì)，有效拉動內(nèi)需，實現(xiàn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級和持續(xù)健康發(fā)展已成為社會需求及政策指引的主要方向[1]。其中，以BIM為平臺，集成相關(guān)數(shù)字化、信息化、智能化技術(shù)，成為發(fā)展智能建造的重要支撐[2-3]。

香港感染控制中心是中央援建香港的同心抗疫工程，該項目的順利完工并投入使用，進(jìn)一步增強(qiáng)了香港抗擊新冠肺炎疫情的能力，充分體現(xiàn)了“一國兩制”的制度優(yōu)勢和強(qiáng)大生命力。

香港感染控制中心除了采用新型設(shè)計理念及建造技術(shù)外，還充分實踐應(yīng)用智能建造技術(shù)，即以BIM技術(shù)為載體進(jìn)行深度創(chuàng)新，結(jié)合VR、AR、IoT、MES、智慧工地系統(tǒng)等信息化技術(shù)，為涵蓋項目設(shè)計、生產(chǎn)、建造及運(yùn)營的工程全生命期的智慧管理提供關(guān)鍵支撐。通過科技賦能，在提升生產(chǎn)建造效率的同時確保工程質(zhì)量，助力項目在120天內(nèi)高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量、高效率完工。

本文將以中央援建香港感染控制中心項目為例，分享智能建造在香港緊急防疫項目全過程中的創(chuàng)新應(yīng)用探索及實踐，以期為業(yè)界提供一些參考。

1 香港感染控制中心項目概況

1.1 項目背景及基本信息

2020年7月，香港爆發(fā)第三波新冠肺炎疫情，7月至8月新增3 500余個確診病例。在危機(jī)關(guān)頭，香港在中央的援助下興建臨時醫(yī)院，后正式命名為“北大嶼山醫(yī)院香港感染控制中心”(以下簡稱“香港感染控制中心”或“項目”)。作為中央援助香港的三大抗疫項目之一，香港感染控制中心的建成將大大提升香港應(yīng)對疫情的能力，紓緩香港醫(yī)療系統(tǒng)壓力，為香港防疫抗疫工作做出新的貢獻(xiàn)。

項目位于香港亞洲國際博覽館旁，毗鄰香港國際，總占地面積為29 000m2，建筑面積為44 000m2，由6座病房大樓、1座醫(yī)療大樓、1座能源中心及液氧缸、危險品貯存間及醫(yī)療氣體總站組成。全院共設(shè)136間6人負(fù)壓隔離病房，提供816張床位。項目采用Design & Build(設(shè)計施工一體化)模式建設(shè)，合約工期僅4個月。

項目基于DfMA(Design for Manufacture and Assembly)方法的模塊化醫(yī)院設(shè)計思路，采用MiC(Modular Integrated Construction)技術(shù)快速建造，打造了國際一流品質(zhì)防疫醫(yī)院，成為我國首家采用MiC建造技術(shù)的永久醫(yī)院、全球首家全MiC負(fù)壓隔離病房傳染病醫(yī)院。

1.2 智能建造方案探索

考慮到香港感染控制中心項目有建設(shè)工期極緊張、設(shè)計工藝復(fù)雜、施工精度高、驗收標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格以及管理協(xié)調(diào)難度大等特點，項目計劃應(yīng)用“BIM+X”，即以BIM技術(shù)為核心，集成虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)、擴(kuò)增現(xiàn)實技術(shù)(AR)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)(MES)、三維激光掃描技術(shù)及智慧工地等其他信息技術(shù)、管理手段，作為智能建造的整體實施方案。

1.3 組織架構(gòu)

項目特別設(shè)立了智能建造統(tǒng)籌小組(如圖1所示)，全面負(fù)責(zé)項目智能建造相關(guān)事宜，下設(shè)深港BIM團(tuán)隊協(xié)調(diào)、正向設(shè)計協(xié)調(diào)、智慧工地統(tǒng)籌、智能防疫工作、運(yùn)維工作協(xié)調(diào)等五大板塊。

圖1 項目智能建造組織架構(gòu)

2 智慧設(shè)計

2.1 BIM正向設(shè)計的應(yīng)用

全專業(yè)、全流程協(xié)同是BIM正向設(shè)計的關(guān)鍵[4]。在本項目設(shè)計工作啟動的早期，全專業(yè)、全流程的BIM正向設(shè)計模式的統(tǒng)籌布局工作就已啟動：建立了由項目智能建造統(tǒng)籌小組直接領(lǐng)導(dǎo)的深港兩地BIM工作小組，確立了深港BIM小組線上24小時無間斷協(xié)同作業(yè)模式的工作機(jī)制和工作流程。成立線上協(xié)同云平臺，并為不同項目參與方設(shè)立了不同的平臺權(quán)限：例如，設(shè)計部有上傳和刪除設(shè)計圖、觀看模型和標(biāo)記的權(quán)限； 工程部有補(bǔ)充設(shè)計圖，觀看模型和標(biāo)記的權(quán)限； 所有分包商有觀看模型的權(quán)限； 而項目管理團(tuán)隊以及深港兩地BIM小組則享有平臺全部權(quán)限。深港兩地BIM小組利用該云平臺進(jìn)行建筑和機(jī)電模型的線上無縫銜接配合工作，改變下載模型并更新之后再上傳這樣的傳統(tǒng)協(xié)同模式，采用可以兩地多賬號同步云端更改模型并同步更新、結(jié)合24小時無間斷協(xié)同作業(yè)模式，將項目溝通及協(xié)同效率最大化，確保了在最短時間內(nèi)生產(chǎn)出最新協(xié)同模型(如圖2所示)。線上協(xié)同云平臺也確保了BIM正向設(shè)計的信息傳遞高效性和保密性，也為項目后期的生產(chǎn)建造協(xié)調(diào)工作確立了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)工作平臺。

利用線上協(xié)同云平臺，項目團(tuán)隊只耗時1天便完成模塊化負(fù)壓病房所有相關(guān)專業(yè)圖紙的上傳、分析、整理、建模等相關(guān)工作。短短幾天內(nèi)，采用BIM模型解決了所有專業(yè)的碰撞和檢查、圖紙協(xié)同、材料尺寸面積統(tǒng)計等工作，并運(yùn)用已完成協(xié)調(diào)的BIM模型直接出圖，用于模塊化病房箱體的生產(chǎn)工作。

本項目將先進(jìn)制造業(yè)的DfMA方法應(yīng)用于建筑施工領(lǐng)域，著重考慮設(shè)計對于簡化制造和組裝最終建筑組件的重要性，減少了設(shè)計與現(xiàn)場需求的脫節(jié)。BIM技術(shù)的應(yīng)用，使得DfMA的關(guān)鍵作用得以發(fā)揮，例如借助3D模型輔助部品部件的分析及優(yōu)化，有助于減少設(shè)計圖轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)施工圖的時間成本，促進(jìn)了設(shè)計、制造、施工與管理環(huán)節(jié)的協(xié)同工作。

BIM正向設(shè)計工作的高效落實順利地幫助了項目團(tuán)隊在模塊化病房生產(chǎn)開始的關(guān)鍵節(jié)點完成全部設(shè)計協(xié)調(diào)統(tǒng)籌和出圖工作，為項目生產(chǎn)建設(shè)的順利實施打下了堅實的基礎(chǔ)。

圖2 運(yùn)用BIM進(jìn)行多專業(yè)協(xié)調(diào)過程，有效提高了溝通效率，節(jié)省67%溝通時間

2.2 BIM+VR技術(shù)輔助室內(nèi)設(shè)計

VR(虛擬現(xiàn)實技術(shù))與BIM技術(shù)的結(jié)合，是利用VR設(shè)備的全方位代入式沉浸體驗的特點，將BIM模型在VR設(shè)備中展示，令設(shè)計團(tuán)隊和項目使用者第一時間可以體驗到最新的室內(nèi)設(shè)計并給出專業(yè)意見。當(dāng)多方同時帶上VR設(shè)備進(jìn)入同一個虛擬場景后，可以進(jìn)行虛擬空間互動、溝通，實時看到其他參與者的標(biāo)注和建議。VR技術(shù)對于項目早期的室內(nèi)設(shè)計起到了不可或缺的作用。一方面，設(shè)計團(tuán)隊運(yùn)用VR技術(shù)即時查看最新的室內(nèi)設(shè)計，可以在虛擬立體空間內(nèi)優(yōu)化洗手盆出水高度、潔具的實際高度使用體驗等，使項目室內(nèi)設(shè)計在極短時間內(nèi)完成全方位且人性化的實用設(shè)計；另一方面，VR技術(shù)幫助項目使用者在設(shè)計早期階段通過虛擬的方式親身體驗，在早期確定相關(guān)設(shè)計細(xì)節(jié)，推動項目進(jìn)展[5]。

3 智慧生產(chǎn)

3.1 BIM正向設(shè)計出圖生產(chǎn)

在BIM工作的統(tǒng)籌計劃過程中，BIM工作小組就已經(jīng)制定詳細(xì)的BIM建模工作標(biāo)準(zhǔn)流程、模型族命名框架、模型信息文字標(biāo)準(zhǔn)格式等。其中，BIM建模工作標(biāo)準(zhǔn)流程包括圖紙上傳流程、圖紙命名規(guī)范、建模命名規(guī)范、兩地分工部署、更改模型流程及記錄等。在設(shè)計協(xié)調(diào)過程中，BIM小組按照標(biāo)準(zhǔn)流程嚴(yán)格執(zhí)行模型的信息整合工作，包括材料信息，材料供應(yīng)商、材料顏色、物料單價、機(jī)電設(shè)備能耗信息、設(shè)備運(yùn)營維護(hù)信息等。項目團(tuán)隊通過正向設(shè)計完成的BIM模型直接輸出生產(chǎn)圖紙，用于MiC箱體生產(chǎn)工作，以此確保設(shè)計與生產(chǎn)無縫銜接。

3.2 MES智能系統(tǒng)

MiC實時數(shù)據(jù)面板是控制項目關(guān)鍵路線進(jìn)度的關(guān)鍵面板。該面板反映了所有組成香港感染控制中心病房的MiC箱體的生產(chǎn)、物流、質(zhì)檢、安裝等全程的實時動態(tài)。所有數(shù)據(jù)均來自每一個對應(yīng)環(huán)節(jié)中，運(yùn)用MES(生產(chǎn)管理系統(tǒng))系統(tǒng)對于箱體上二維碼的掃碼及確認(rèn)，確保實時跟蹤，實時反饋。雖然MiC箱體于中國內(nèi)地生產(chǎn)，但通過項目總指揮室智慧工地系統(tǒng)的項目數(shù)據(jù)中心，團(tuán)隊對于中國內(nèi)地廠房的生產(chǎn)、物流、質(zhì)檢以及到港日期等每一個環(huán)節(jié)的把控都能夠做到了如指掌。

4 智慧建造

4.1 基于BIM的施工模擬

利用已建立的BIM模型進(jìn)行施工模擬，是香港感染控制中心項目應(yīng)用BIM技術(shù)的一個重點。在實際操作中，利用BIM模型參與的施工模擬動畫及施工機(jī)械演示有效地幫助了項目管理團(tuán)隊提前制定標(biāo)準(zhǔn)病房大樓的建造順序、機(jī)械移動路線與擺位、物料運(yùn)輸路線及順序等建造管理關(guān)鍵方案。BIM工作小組和項目工程部緊密合作，在3D模擬過程中加入相應(yīng)的施工機(jī)械的型號、關(guān)鍵時間節(jié)點、構(gòu)件信息標(biāo)注、工法重點標(biāo)注等，更加深度、準(zhǔn)確、高效地模擬建造過程。而施工建造模擬的過程本身也幫助項目工程部提前發(fā)現(xiàn)了一些現(xiàn)場部署安排的重難點問題，并且得以提前解決，在未進(jìn)場施工前已做好周全的計劃。

4.2 BIM技術(shù)輔助工程造價管理

通過BIM工作標(biāo)準(zhǔn)流程中的信息整合環(huán)節(jié)，工程造價部門可利用BIM模型中已嵌入的材料信息、物料單價以及供應(yīng)商信息等直接生成最新設(shè)計模型對應(yīng)的材料清單、造價統(tǒng)計清單、訂貨追蹤清單等，令工程計量工作和設(shè)計工作保持信息同步，對于項目的材料采購和成本控制工作的高效、精細(xì)化管理也起到了關(guān)鍵作用[6,7]。

4.3 BIM+AR技術(shù)——安裝缺陷檢查

AR(增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù))可以在真實環(huán)境中無縫融合虛擬場景，并進(jìn)行實時交互，與BIM技術(shù)結(jié)合能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢[8]，更好地幫助實現(xiàn)建造信息化、智能化。在項目BIM工作小組更新完BIM模型后，通過AR軟件上傳模型并生成對應(yīng)區(qū)域的區(qū)域二維碼。工程師在項目現(xiàn)場通過AR手持平板設(shè)備掃描定位二維碼，便可以在設(shè)備上看到并操作疊加在現(xiàn)實場景中的虛擬BIM模型。這一應(yīng)用方便了工程師直觀地對比施工現(xiàn)場和設(shè)計模型，系統(tǒng)化地檢查結(jié)構(gòu)龍骨、機(jī)電系統(tǒng)、裝修飾面等工序的安裝進(jìn)度、安裝位置及完成質(zhì)量。AR系統(tǒng)還可以實現(xiàn)單一構(gòu)件的隱藏，以便查看已隱蔽驗收的構(gòu)件，方便在錯綜復(fù)雜的管道中定位到具體某個系統(tǒng)或者構(gòu)件(如圖3所示)。

圖3 手持AR設(shè)備現(xiàn)場查看機(jī)電設(shè)計模型

4.4 BIM+IoT技術(shù)——MiC安裝進(jìn)度實時動態(tài)追蹤

項目建造順序和進(jìn)度的信息化、可視化管理是將BIM模型與IoT技術(shù)精準(zhǔn)結(jié)合的成果。運(yùn)用搭載箱體信息和病房構(gòu)件編號的BIM模型作為系統(tǒng)顯示載體，當(dāng)現(xiàn)場MiC箱體安裝完成并且由管理人員現(xiàn)場驗收、掃碼確認(rèn)后，智慧工地系統(tǒng)內(nèi)的進(jìn)度頁面中對應(yīng)位置的箱體模型就會顯示出來，令管理團(tuán)隊隨時直觀地掌握MiC安裝情況。

4.5 BIM+三維激光掃描技術(shù)——質(zhì)量管控

三維激光掃描具有適應(yīng)性強(qiáng)、測量速度快、精度高、信息量大及實時動態(tài)化等特點，BIM與該技術(shù)的集成應(yīng)用成為大型復(fù)雜工程施工質(zhì)量過程管控的新興手段[9]。

項目團(tuán)隊對現(xiàn)場施工中的構(gòu)件實體進(jìn)行激光掃描，并將掃描得到的3D模型在云平臺中與設(shè)計模型進(jìn)行點對點的對照分析(如圖4所示)。該技術(shù)應(yīng)用可精準(zhǔn)且無遺漏地檢查對比設(shè)計和現(xiàn)場，確保設(shè)計圖紙的落實和現(xiàn)場問題的精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)。另外，激光掃描技術(shù)可以幫助團(tuán)隊更快速地制作竣工圖，利用掃描產(chǎn)生的點云模型直接生成BIM模型，再導(dǎo)入相應(yīng)的材料信息，例如材料供應(yīng)商、材料顏色、材料特性等，這對于在有限時間內(nèi)完成竣工模型(As-built Model)起到了關(guān)鍵的作用。

圖4 工程師在現(xiàn)場檢查三維激光掃描生成的點云模型

4.6 BIM+IoT創(chuàng)新應(yīng)用——智慧防疫

項目建設(shè)高峰期與香港第四波疫情重疊，單日最高新增案例高達(dá)115宗。疫情防控形勢非常嚴(yán)峻，科學(xué)精準(zhǔn)防疫是項目順利推進(jìn)的重要保障。基于IoT(Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng))原理的智能安全帽追蹤定位系統(tǒng)是香港感染控制中心智慧工地系統(tǒng)的另一大技術(shù)亮點(如圖5所示)，也是項目防疫工作的重要手段。

圖5 智能工人定位防疫系統(tǒng)截圖

當(dāng)佩戴裝有定位芯片的智能安全帽的工人進(jìn)入項目工地內(nèi)以后，裝在場地內(nèi)不同區(qū)域的芯片信號接收器就會接受到相應(yīng)芯片發(fā)出的信號，并記錄該工人的進(jìn)場時間、工作區(qū)域、工作位置、工作時長及實時記錄活動范圍。結(jié)合每一枚芯片本身已攜帶的該工人身份及所屬公司等信息，智慧工地系統(tǒng)便可以實時生成項目工人作業(yè)分布的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，包括實時統(tǒng)計現(xiàn)場分區(qū)作業(yè)人數(shù)、分層作業(yè)人數(shù)、作業(yè)總?cè)藬?shù)及各分包商作業(yè)人數(shù)等信息。憑借該系統(tǒng)，可以獲取過去14天內(nèi)所有工人的活動范圍和活動記錄。當(dāng)有突發(fā)疑似疫情時，通過系統(tǒng)可以生成任何一個工人的歷史活動記錄，并且自動導(dǎo)出曾經(jīng)同區(qū)工作的密切接觸工友的列表。利用此技術(shù)，項目團(tuán)隊可將疫情造成的影響降到最低，并且利用科學(xué)手段精準(zhǔn)定位需隔離人群，實現(xiàn)嚴(yán)格精準(zhǔn)防控。

4.7 項目現(xiàn)場智慧工地控制系統(tǒng)

智慧工地作為智能建造的重要一環(huán)，通過運(yùn)用信息化手段，使工程項目全生命期的各個環(huán)節(jié)高度集成，實現(xiàn)系統(tǒng)上的集成性、功能上的智慧性以及使用上的便利性。

由項目智能建造統(tǒng)籌小組直接指揮并建立的智慧工地系統(tǒng)，在項目啟動初期已經(jīng)和項目設(shè)計工作并行開發(fā)。該系統(tǒng)涵蓋項目所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)及信息，包括生產(chǎn)、安全、進(jìn)度、質(zhì)量及物流等所有動態(tài)數(shù)據(jù)。在項目現(xiàn)場的指揮部(如圖6所示)中，智慧工地系統(tǒng)的控制屏幕實時顯示所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)、最新BIM模型、項目實時CCTV、內(nèi)地生產(chǎn)車間的實時監(jiān)控畫面、質(zhì)量檢查體系的實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)(如圖7所示)等。項目指揮團(tuán)隊還可以通過手機(jī)版智慧工地系統(tǒng)隨時隨地查看關(guān)鍵信息。

圖6 項目現(xiàn)場指揮部的智慧工地控制中心

圖7 智慧工地系統(tǒng)主控制頁面

5 智慧運(yùn)營——基于BIM的可視化運(yùn)維管理平臺

在項目的BIM建模過程中，各機(jī)電設(shè)備(Mechanical，Electrical and Plumbing，MEP)的運(yùn)維信息的整理和輸入工作在同步進(jìn)行。當(dāng)正向設(shè)計完成后，BIM模型亦是運(yùn)維模型。運(yùn)維信息的系統(tǒng)分類、早期統(tǒng)籌、同步更新等部署工作為運(yùn)維平臺的應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)[10]。

圖8 項目運(yùn)維管理平臺示例

項目智能運(yùn)維平臺(如圖8所示)以BIM模型為載體，融合AR、IoT等技術(shù)，將建筑設(shè)備運(yùn)維過程中的各個系統(tǒng)統(tǒng)一整合，實現(xiàn)了人、設(shè)備與建筑之間的互聯(lián)互通，提高智能化管理，全方位提升其運(yùn)營與管理效率，例如，BIM+AR技術(shù)在項目運(yùn)維工作中充分發(fā)揮作用。利用AR系統(tǒng)可以與虛擬對照結(jié)合顯示的特點，項目管理人員或維修人員得以在無須開啟天花板的情況下，精準(zhǔn)定位并且查看天花內(nèi)部機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的排布、走向及系統(tǒng)信息。在AR手持平板設(shè)備上點擊顯示的虛擬構(gòu)件，還可以查看到相應(yīng)系統(tǒng)的構(gòu)件信息如尺寸、安裝時間、品牌、特定系統(tǒng)信息、維修聯(lián)絡(luò)電話等，方便管理人員提高檢查維修的效率。

6 結(jié)語

本文以香港感染控制中心項目為例，介紹了智能建造在緊急防疫工程全生命期中的應(yīng)用，結(jié)果表明：

(1)全專業(yè)、全流程BIM正向設(shè)計的應(yīng)用極大地提高了設(shè)計及生產(chǎn)效率，各專業(yè)協(xié)同效應(yīng)得到充分發(fā)揮，保障了圖紙質(zhì)量及設(shè)計、生產(chǎn)、建造環(huán)節(jié)之間的緊密銜接；

(2)BIM技術(shù)是實現(xiàn)DfMA設(shè)計理念的重要基礎(chǔ)，也是推進(jìn)建筑工業(yè)化的技術(shù)保障；

(3)通過BIM深度結(jié)合VR、AR、MES、三維激光掃描等信息技術(shù)，實現(xiàn)了VR輔助室內(nèi)設(shè)計、AR輔助施工檢查、三維激光掃描助力質(zhì)量管控、智慧工地打通工廠現(xiàn)場、AR輔助維修更換等創(chuàng)新應(yīng)用；同時，基于BIM實現(xiàn)了高效的施工模擬及精細(xì)化的工程造價管理等，將智慧化縱向貫穿于項目設(shè)計、生產(chǎn)、建造到運(yùn)維的全生命期；

(4)基于自主搭建的智慧工地系統(tǒng)，實現(xiàn)了對項目生產(chǎn)、安全、防疫、進(jìn)度、質(zhì)量、物流等多方位的科學(xué)、高效、信息化、精細(xì)化管理。

智能建造為中央援建香港感染控制中心項目的順利完工提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，其在工程建設(shè)多環(huán)節(jié)、多維度中的深入應(yīng)用，符合建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化趨勢需求，具有一定的推廣示范價值。智能建造在本項目的成功探索及實踐，將為加快行業(yè)建造方式轉(zhuǎn)變、推動建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了有益的借鑒。